金廠河鉛鋅礦高階段寬條帶采場穩(wěn)定性分析

劉順斌，鄧 柯，吳 東

(1.金誠信礦業(yè)管理股份有限公司，北京 101500；2.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌 737100；3.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051)

1 礦體頂?shù)装宸€(wěn)固性評價(jià)

金廠河鉛鋅鐵礦為隱伏礦床，位于地表以下261.20～900.11 m，平均 580.66 m，均為隱伏礦體。核桃坪組中段一層(∈3h2-1)是礦區(qū)的主要控礦層位，頂板主要為大理巖，巖石新鮮微風(fēng)化，屬于穩(wěn)固性巖體；底板巖性以矽卡巖為主，埋藏深，新鮮堅(jiān)硬，基本穩(wěn)固偏上。

2 采場結(jié)構(gòu)尺寸與采礦方法工藝

金廠河鉛鋅鐵礦主要以透鏡狀、似層狀、層狀為主，成群緩傾產(chǎn)出，在空間分布上有由上往下的Pb、Zn帶，Cu、Pb、Zn帶，Cu-mFe、mFe帶垂直分帶特征，即上部為鉛鋅礦，中部過渡為銅礦、銅鋅礦，下部為鐵礦。在橫向上具有沿傾向延伸大、沿走向延伸小的特點(diǎn)。礦體四周呈波狀起伏緩傾斜層狀產(chǎn)出，走向近南北，平面呈不規(guī)則狀，整體傾向南東，傾角4～20°，平均8°。礦體南北走向長為60～200 m，平均 150 m，東西寬約為 1 100 m。礦體厚度不等，絕大部分厚度> 20 m，東側(cè)最厚可達(dá)50～60 m，厚度變化系數(shù)105.24%，屬厚度較穩(wěn)定礦體。

圖1 采場典型剖面(南北向剖面)Fig.1 Typical profile of stope(north-south section)

結(jié)合礦體開采技術(shù)條件，采用裝備水平較高、采場生產(chǎn)能力大、生產(chǎn)效率高的大直徑深孔側(cè)向崩礦嗣后充填采礦法。采場(礦塊)沿走向布置，采場長度為礦體走向長度，礦體沿走向長度一般不超過 150 m，礦體在傾向方向上劃分多個(gè)礦房條帶和礦柱條帶,按兩步驟回采，礦房和礦柱沿著礦體傾斜方向間隔布置，一步驟回采礦柱，二步驟回采礦房，礦房與礦柱(條帶)寬度均為 15 m，條帶回采階段高度為礦體實(shí)際厚度，為19～47 m；鉛鋅銅礦體，產(chǎn)狀穩(wěn)定，礦體為單層，厚大，個(gè)別地段分支為2層(圖1)，圍巖中等穩(wěn)固，礦體穩(wěn)固。

回采過程采用隔一采一兩步驟開采的方式，首先開采寬度為 15 m 的礦柱(一步驟)，開采結(jié)束后進(jìn)行膠結(jié)充填。一步驟礦柱回采結(jié)束后，膠結(jié)充填灰砂比平均為1∶8，充填料漿濃度為76%～78%。 充填體養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，再開采相鄰寬度為 15 m 的礦房(二步驟)，此時(shí)礦房兩側(cè)均為礦柱膠結(jié)充填體，二步驟礦房開采結(jié)束后進(jìn)行非膠結(jié)充填。二步驟回采礦房結(jié)束后，膠結(jié)充填灰砂比平均為1∶30，充填料漿濃度為72%～74%。并將上部的采切掘進(jìn)廢石經(jīng)上部充填回風(fēng)天井倒入采空區(qū)內(nèi)，充填管道經(jīng)充填回風(fēng)天井(或充填鉆孔)進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)，用添加3%的水泥分級(jí)尾砂充填料漿進(jìn)行充填。采場具體布置詳見圖2。

圖2 采場布置示意Fig.2 Schematic diagram of stope layout

基建采場設(shè)置3個(gè)(圖2)，分別為A7-1、B1-3和B1-5。礦山投產(chǎn)后，首先開采這3個(gè)采場，開采完成之后，首先由B1-5采場開始向西推進(jìn)，再由A7-1采場向B1-4推進(jìn)，最后從A6-2采場向東推進(jìn)。

礦體頂板圍巖中等穩(wěn)固，為保證采場安全及控制頂板垮落貧化，在切頂層鑿巖硐室對上盤圍巖進(jìn)行錨網(wǎng)加固支護(hù)，鑿巖硐室尺寸為：4.5 m(寬度)×4 m(高度)。采場回采結(jié)束后及時(shí)進(jìn)行充填，充填務(wù)必接頂。

前述，為了控制地壓，確?；夭蛇^程安全，鉛鋅銅礦體留設(shè)了3條臨時(shí)礦柱(圖2)。這3條臨時(shí)礦柱，需待所有采場回采結(jié)束后才能進(jìn)行回采。其回采順序?yàn)樽晕飨驏|逐條回采，依次回采B2-3、B1-6和B1-2臨時(shí)礦柱。臨時(shí)礦柱的回采，必須執(zhí)行采區(qū)強(qiáng)掘、強(qiáng)出、強(qiáng)充三強(qiáng)措施，縮短回采時(shí)間和充填時(shí)間[1]。

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，巖體穩(wěn)固性和分級(jí)，結(jié)合室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，折減得到最終的巖體物理力學(xué)參數(shù)(表1)。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值

3 地下開采對圍巖穩(wěn)定性影響的FLAC3D數(shù)值模擬分析

3.1 計(jì)算模型的建立

采用莫爾-庫倫(Mohr-Coulomb)彈塑性本構(gòu)模型，最終生成的網(wǎng)格和建好的模型如圖1所示。金廠河區(qū)域范圍內(nèi)水平最大側(cè)壓系數(shù)λ=1.3，最小側(cè)壓系數(shù)λ=0.85。

圖3 三維數(shù)值模擬計(jì)算模型Fig.3 Three-dimensional numerical simulation calculation model

3.2 采場圍巖穩(wěn)定性分析

礦體開挖形成采空區(qū)后，應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，造成周邊圍巖個(gè)別地方應(yīng)力集中。采場穩(wěn)定性的維護(hù)主要依靠圍巖及充填體[2,4]。鑒于文章篇幅的限制，本文只列出了2個(gè)開挖階段的穩(wěn)定性分析結(jié)果，其他開挖階段模擬結(jié)果與這2個(gè)階段基本類似。

1)開挖A9-1、B1-1、B2-5、A10-2、A11-2號(hào)采場圍巖穩(wěn)定性分析。一步驟A7-2、A8-2、B1-7、B2-2、B2-4號(hào)采場開挖充填后，繼續(xù)開挖二步驟A9-1、B1-1、B2-5、A10-2、A11-2號(hào)采場時(shí)，由模擬結(jié)果圖4和圖5可以看出：采場頂板基本未出現(xiàn)塑性區(qū)，頂板巖層基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，采場兩側(cè)圍巖出現(xiàn)了少量寬度僅為 8 m 左右的塑性區(qū)。預(yù)留的B1-2、B1-5、B2-3號(hào)采場臨時(shí)保安礦柱和相鄰采場A9-2、A10-1、A11-1的礦體處于較高應(yīng)力塑性狀態(tài)。開挖A9-1、B1-1、B2-5、A10-2、A11-2(19-21-32-34-36)號(hào)采場未對地表和周邊圍巖產(chǎn)生大的擾動(dòng)影響，此時(shí)地表和采場周邊圍巖整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

A9-1、B1-1、B2-5、A10-2、A11-2號(hào)采場礦體開挖后，由模擬結(jié)果(圖6)可以看出：采場兩側(cè)圍巖所承受的壓應(yīng)力為12～16.8 MPa，采場頂板所承受的壓應(yīng)力為6～12 MPa。

圖4 開挖A9-1、B1-1、B2-5、A10-2、A11-2號(hào)采場，縱向剖面塑性區(qū)分布云圖Fig.4 After excavation of A9-1、B1-1、B2-5、A10-2、A11-2 stope, distribution nephogram of plastic zone in longitudinal section

圖5 典型剖面采場塑性區(qū)分布云圖Fig.5 Distribution nephogram of typical profile stope plastic zone

圖6 采場圍巖最大壓應(yīng)力分布云圖Fig.6 The nephogram of the maximum compressive stress distribution of stope surrounding rock

圖7 開挖A9-2、B1-3、A10-1、A11-1、 A12-1號(hào)采場，縱向剖面塑性區(qū)分布云圖Fig.7 After excavation of A9-2、B1-3、 A10-1、A11-1、A12-1 stope, distribution nephogram of plastic zone in longitudinal section

圖8 典型剖面采場塑性區(qū)分布云圖Fig.8 Distribution nephogram of typical profile stope plastic zone

圖9 采場圍巖最大壓應(yīng)力分布云圖Fig.9 The nephogram of the maximum compressive stress distribution of stope surrounding rock

2)開挖A9-2、B1-3、A10-1、A11-1、A12-1號(hào)采場圍巖穩(wěn)定性分析。二步驟:A9-1、B1-1、B2-5、A10-2、A11-2號(hào)采場開挖充填后，繼續(xù)開挖二步驟A9-2、B1-3、A10-1、A11-1、A12-1號(hào)采場時(shí)，由模擬結(jié)果圖7、8可以看出：采場頂板基本未出現(xiàn)塑性區(qū)，頂板巖層基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；而采場兩側(cè)的圍巖出現(xiàn)了數(shù)量較多塑性區(qū)的承壓帶，承壓帶塑性區(qū)寬度 16 m 左右(即空區(qū)周邊塑性區(qū)巖柱寬度)，寬度較小。預(yù)留的B1-2、B1-5、B2-3號(hào)采場臨時(shí)保安礦柱處于高應(yīng)力塑性屈服狀態(tài)。開挖A9-2、B1-3、A10-1、A11-1、A12-1號(hào)采場礦體未對地表和周邊圍巖產(chǎn)生大的擾動(dòng)影響，此時(shí)地表和采場周邊圍巖整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。A9-2、B1-3、A10-1、A11-1、A12-1號(hào)采場礦體開挖后，模擬結(jié)果如圖9所示，可以看出：采場兩側(cè)圍巖所承受的壓應(yīng)力為 12.0～17.3 MPa，采場頂板所承受的壓應(yīng)力為6～12 MPa。

4 結(jié) 論

通過以上FLAC3D數(shù)值模擬研究分析得出以下結(jié)論：

1)井下礦體兩步驟回采，建議每個(gè)盤區(qū)最多有2個(gè)條帶在爆破出礦，1個(gè)在充填，1個(gè)在養(yǎng)護(hù)，做好及時(shí)充填，減小空區(qū)頂板暴露面積。后期B1-2、B1-5、B2-3號(hào)臨時(shí)保安礦柱的置換，充填體灰砂比必須提高至1∶4以上，而且必須添加碎石。

2)金廠河鉛鋅礦產(chǎn)狀相對穩(wěn)定、厚度大、傾角緩、東西傾斜長、南北傾向短并具有品位高的優(yōu)勢，因此采用大直徑深孔側(cè)向崩礦嗣后充填采礦方法很適合該產(chǎn)狀特點(diǎn)，是安全、高效、成本低的采礦工藝，體現(xiàn)出安全與經(jīng)濟(jì)效益。